中和熱測定裝置的創(chuàng)新設(shè)計

張盤斌 常國旗 徐立娟

體系與環(huán)境只要存在溫度差就一定可以發(fā)生熱傳遞導致熱量散失，且溫度差越大，熱量散失就越快越多。《化學反應(yīng)原理》一課的開設(shè)時間是每學年的第一學期(大約在每年的10月份)，此時，在北方的很多地區(qū)溫度已經(jīng)比較低了，酸堿中和反應(yīng)放出的熱量會使反應(yīng)體系的溫度升高，但環(huán)境的溫度較低，傳統(tǒng)裝置雖然采取了保溫措施，但是與環(huán)境溫度差較大，熱量散失仍然較快，給中和熱測定帶來不可避免的較大誤差。為此，筆者設(shè)計了一種新的測定裝置減小實驗誤差。

一、理論部分

在中和熱的測定實驗中產(chǎn)生的誤差主要是由熱量的傳遞所導致的，而熱量傳遞的主要因素是由反應(yīng)體系與環(huán)境的溫度差所決定，如果設(shè)計一個裝置，能使中和反應(yīng)發(fā)生的體系中溫度升高的同時，環(huán)境的溫度也對應(yīng)升高，即可減小反應(yīng)體系與環(huán)境的溫度差，達到一個動態(tài)的保溫效果從而減小誤差。如果控制不好環(huán)境溫度的變化也有可能產(chǎn)生正誤差。這樣如何控制環(huán)境的溫度變化就顯得尤為重要，即要讓環(huán)境的溫度隨著反應(yīng)體系溫度的升高而升高且接近反應(yīng)體系的溫度。為此筆者設(shè)計了一個新裝置，讓等量的酸和堿在內(nèi)外兩個容器中同時進行反應(yīng)，外面的中和反應(yīng)放出的熱量會對里面的反應(yīng)體系起到保溫的效果，容器內(nèi)外的反應(yīng)釋放出的熱量相同，溫度同時升高，減小了環(huán)境與反應(yīng)體系間的溫度差即可減少熱傳遞從而減小誤差，由于是內(nèi)外溫度同時升高且外面的保溫反應(yīng)的溫度始終不會超過反應(yīng)體系的溫度，所以就不會產(chǎn)生正誤差，新裝置和傳統(tǒng)裝置分別如圖1、圖2所示。

圖1 新裝置

圖2 傳統(tǒng)裝置

新裝置的外層的反應(yīng)放出的熱量使溫度升高，對內(nèi)層的反應(yīng)起到動態(tài)保溫的效果，減小誤差。內(nèi)外兩層反應(yīng)物的量相等放出的熱量一樣多，但外層溶液濃度小，反應(yīng)速率慢，外層溫度接近且略低于內(nèi)層溫度，所以不會產(chǎn)生正誤差。

傳統(tǒng)裝置會隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)體系的溫度升高，但環(huán)境溫度較低。溫差增大，熱傳遞加快，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會散失，測定出的溫度變化量偏小，造成較大的誤差。

二、實驗部分

1.實驗用品

0.25 mol/L的鹽酸溶液、0.30 mol/L的氫氧化鈉溶液、0.5 mol/L的鹽酸溶液、0.55 mol/L的氫氧化鈉溶液、大試管、廣口瓶、100 ℃溫度計、橡膠塞、打孔器、傳統(tǒng)中和熱測定裝置。

2.實驗裝置

具體的實驗裝置如圖3所示，設(shè)置了新裝置和傳統(tǒng)裝置做對比。

圖3 實驗裝置

3.實驗步驟

用兩套不同的裝置分別進行3次實驗，并將實驗數(shù)據(jù)記錄在表1、表2中。

表1 新裝置的實驗數(shù)據(jù)

表2 傳統(tǒng)裝置的實驗數(shù)據(jù)

表2 (續(xù))

4.實驗數(shù)據(jù)處理

(1)取3次測量所得數(shù)據(jù)的平均值作為計算依據(jù)(見表3、表4)。

表3 新裝置的實驗數(shù)據(jù)的平均值

表4 傳統(tǒng)裝置的實驗數(shù)據(jù)的平均值

(2)依據(jù)Q=mcΔt進行計算，近似地認為實驗所用酸、堿溶液(稀溶液)的密度和比熱容與水相同，并忽略實驗裝置的比熱容，則：

50 mL鹽酸的質(zhì)量m1=50 g，50 mL氫氧化鈉溶液的質(zhì)量m2=50 g，中和反應(yīng)后所得溶液的比熱容為4.18 J/(g·℃)。50 mL0.5 mol/L的鹽酸與50 mL 0.55 mol/L的氫氧化鈉溶液發(fā)生中和反應(yīng)放出的熱量為：(m1+m2)·c·(t2—t1)=0.418(t2-t1)

生成1 mol H2O時的反應(yīng)熱為：

(3)通過以上公式可以計算兩種裝置下所測得的中和熱。

新裝置：ΔH=-56.51 kJ/mol

傳統(tǒng)裝置：ΔH=-53.50 kJ/mol

文獻值：ΔH=-57.3 kJ/mol

比較發(fā)現(xiàn)，新裝置測定出的中和熱更接近文獻值，誤差較小。若該裝置能批量生產(chǎn)并應(yīng)用在教學中，會提高課堂演示效率，也能培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)。